黄土旱塬区土壤水分状况与作物生长、降水的关系

土壤水分研究是统筹农业生产和生态环境建设的关键环节.本研究结合4年田间定位试验,通过对黄土高原南部长武旱塬冬小麦和春玉米2012—2015年土壤水分状况的研究,分析农田土壤干层形成情况、土壤水分对作物生长的影响、降水对土壤水库的影响以及作物对土壤水分状况的影响.结果表明: 降水年型是冬小麦地土壤干层形成的主导因素,年内降水分布不均是春玉米地土壤干层形成的主导因素.长武旱塬区冬小麦和春玉米一年一季的种植制度不会导致永久性干层的产生;相较于春玉米,冬小麦根系生长习性更符合黄土旱塬区土壤水分循环特征,黄土旱塬区土壤水分有效性可保证作物产量稳定;降水作用下,冬小麦土壤水库充、放水过程呈现收获期、休闲期和苗期连续充水、缓慢消耗期和大量消耗期连续失水相互交替的特点.0～300和300～600 cm土层土壤水库不一致性现象明显,以最大根深作为野外监测试验中土壤含水量的取样深度时,由于深层土壤水库负反馈作用,不同降水年型下,休闲期和苗期的蒸散均会被高估,缓慢消耗期和大量消耗期的蒸散均会被低估.冬小麦田间过渡层存在的范围为140～360 cm;作物生长的时间跨度影响土壤水库效应的发挥,土壤水库对冬小麦供水表现为年际间的调节作用,土壤水库对春玉米供水表现为季节间的调节作用.     

黄土丘陵区辽东栎和刺槐树干液流时滞效应与蒸腾特征的关联性

运用Granier热扩散探针法,于2016年7-9月对半干旱黄土丘陵区天然次生林树种辽东栎和人工林树种刺槐的树干液流进行连续测定,并同步监测气象因子和土壤含水量,用错位相关法分析液流通量密度与空气水汽压亏缺日变化的时滞长度,研究2个树种不同径级个体在不同土壤水分条件下液流通量密度与蒸腾驱动因子之间的时滞效应.结果表明:辽东栎和刺槐液流通量密度的日变化节律与气象因子显著相关,空气水汽压亏缺峰值的出现较辽东栎树干液流通量密度滞后118.2 min,较刺槐树干液流通量密度滞后39.5 min;而光合有效辐射的峰值通常滞后于辽东栎12.4 min,提前于刺槐68.5 min.液流通量密度和空气水汽压亏缺的时滞长度与树种和土壤含水量显著相关,辽东栎、刺槐在土壤含水量较高时段的时滞长度分别大于土壤含水量较低时段32.2和68.2 min.时滞长度与径级的相关性整体上未达到显著水平,但在土壤含水量较低时段小径级刺槐的时滞长度大于大径级21.4 min,差异达到了显著水平.两树种液流通量密度与空气水汽压亏缺之间的时滞效应反映了对蒸腾驱动因子的敏感性,较好的土壤水分条件有利于液流通量密度提早达到峰值,较低土壤水分会导致树干液流对气象环境因子响应的敏感性降低;刺槐树干液流受土壤水分的影响更显著.     

复水对旱后不同玉米品种植株生长恢复能力及其生理响应特性的影响

该研究选用2个抗旱能力相似但旱后恢复能力存在显著差异的玉米品种‘P3’和‘郑单958’为材料,采用盆栽称重控水法在苗期进行干旱及复水处理,通过测定其生长、水分状况、光合参数、叶绿素荧光参数以及叶绿素含量在干旱及复水过程中的变化规律,探讨干旱及复水过程中生理生化响应与旱后恢复能力的关系。结果发现:(1)抗旱性相同的2个玉米品种在干旱复水后的生长恢复能力表现为‘P3’显著强于‘郑单958’。(2)干旱胁迫后,‘郑单958’和‘P3’的叶片相对含水量差异不显著,但‘P3’能维持较高的叶水势、PSⅡ最大光化学效率和叶绿素含量。(3)经干旱胁迫复水后,‘P3’的净光合速率,PSⅡ最大光化学效率和气孔导度恢复速度快于‘郑单958’,说明‘P3’光合损失恢复能力高于‘郑单958’。研究表明,玉米品种‘P3’的旱后复水生长恢复能力较强,因‘P3’在干旱胁迫下能维持较高的Fv/Fm值和叶绿素含量,光系统的损伤较轻,而且复水后也能较快的恢复;在干旱过程中减轻干旱胁迫对植物光合系统的伤害是旱后复水快速恢复生长的基础,而在复水后快速修复光系统损失能够加快植物复水的恢复速度。     

黄土丘陵区土地利用及环境因子对土壤质量指标变异性的影响

利用统计学方法分析了黄土丘陵区中部700 km2区域土壤质量的变异性、影响因子及影响程度.结果表明:研究区不同土壤质量指标变异性有很大差异.土壤pH、结构系数、粉粒、比重、容重、总孔隙度和毛管孔隙度及过氧化氢酶为弱变异性指标;土壤养分(N、P、K)含量、CaCO3含量、阳离子交换量(CEC)、粘粒、微团聚体平均质量直径(MICMMD)、团聚体平均质量直径(MMD)、水稳性团聚体、呼吸强度、微生物熵、蔗糖酶、磷酸酶、呼吸熵及微生物生物量碳和氮为中等变异性指标;土壤活性有机碳、有效磷、抗冲性、渗透系数及脲酶为强变异性指标.土地利用类型变化对土壤有机质、氮含量、水稳性团聚体、渗透性、微生物生物量碳和氮、磷酸酶、蔗糖酶及呼吸强度等土壤动态质量指标的变异性起主导作用.变异性较小的CaCO3、全磷、全钾、CEC、质地、比重等内在土壤质量指标的变异性主要来源于地形等环境因子的差异.土地利用类型可解释97%的土壤质量指数的变异性,是黄土丘陵区土壤质量变异的主导因子.在黄土丘陵区土壤质量评价中,应当充分考虑土地利用类型和地形等环境因子的差异.     

黄土高原半干旱偏旱区草粮轮作田土壤水分恢复效应模拟

采用实地调查和EPIC模型相结合的方法,模拟研究了黄土高原半干旱偏旱区不同草粮轮作模式的土壤水分恢复效应.结果表明：多年生苜蓿地和苜蓿翻耕后种植粮食作物农田0～10 m土层土壤湿度调查值与模拟值间的相关系数均超过0.9（P<0.01）,相对均方根误差在0.05～0.16,相对误差均低于10%;模拟与实测的土壤湿度剖面分布变化趋势一致.在黄土高原半干旱偏旱区,苜蓿地深层土壤干层恢复难度较大,在种植苜蓿期间应避免8～10 m土层土壤湿度降到5.7%以下.苜蓿地适宜种植年限为4～6 a,最长不应超过8 a.苜蓿翻耕后适宜采用马铃薯→马铃薯→春小麦轮作模式进行土壤水分恢复,32～33 a后可以再次种植苜蓿.     

大气CO2浓度倍增和施氮对冬小麦光合及叶绿素荧光特性的影响

采用开顶式气室,通过土培盆栽实验研究了不同大气CO2浓度(背景空气浓度375μmol·mol-1和倍增浓度750μmol·mol-1)和氮素水平(不施氮和施氮0.25 g/kg)下两个冬小麦品种(小偃6号和小偃22)主要生育期(拔节、孕穗、扬花、灌浆期)叶片叶绿素含量和荧光动力学参数的变化.结果显示,与背景CO2浓度相比,在不施氮条件下大气CO2浓度倍增处理的小麦叶片出现明显的光合下调现象,而施氮时变化不明显;同时,CO2浓度倍增后小麦各主要生育期叶片叶绿素含量均有不同程度地下降,荧光参数初始荧光(F0)值明显提高,最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、最大光能转换效率(Fv/Fm)和PSⅡ潜在活性(Fv/F0)值均显著降低.施氮可提高冬小麦各个时期叶片叶绿素含量、Fm、Fv、和Fv/F0值,降低F0值;不施氮条件下,大气CO2浓度倍增对冬小麦各主要生育时期叶绿素含量和荧光参数的影响明显,而施氮后影响微弱.研究表明,大气CO2浓度升高对冬小麦光合速率、叶绿素含量和光系统Ⅱ(PSⅡ)的光合电子传递和潜在活性具有一定抑制作用,通过施氮可以有效地缓解其负面效应.     

散孔材和环孔材树种叶水分传输能力及其与抗旱性的关系

选取树龄相同的3种散孔材(杨树、梧桐和樱花)和3种环孔材(刺槐、合欢和白蜡)树种,用3种不同方法(解剖法、加压法和水容法)研究了其叶水力导度的差异及与抗旱性(PV曲线参数)的关系.结果显示:解剖法估算的最大叶水力导度高于加压法和水容法,加压法和水容法在6个树种中的5个上测定值完全一致,3种散孔材与环孔材树种的叶最大水力导度无显著差异.3种散孔材树种的饱和渗透势和膨压损失点渗透势与3种环孔材相比差异不大,但膨压损失点的相对含水量则低于环孔材树种,质外体含水量高于环孔材树种,导致其综合抗旱性指数也高于3种环孔材树种.研究表明,散孔材和环孔材树种的叶最大水力导度与其抗旱性之间并无显著相关关系.     

渭河陕西段沉积物重金属空间分布及来源解析

为了了解渭河陕西段河道沉积物重金属空间分布特征,本研究对渭河陕西段干流及其支流17个采样点沉积物中的10种重金属元素(Cd、Sb、As、Co、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn、Mn)含量进行测定及来源辨析。结果表明: 重金属元素Cd、Sb、As、Co、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn、Mn的平均含量分别为0.10、1.24、11.73、11.95、24.90、24.91、29.31、54.18、72.74、626.85 mg·kg^-1, 除Cd的变异系数大于1以外,其他元素的变异系数均低于0.5。其中,Cd、Pb、Cr含量于灞河入渭处达到峰值,Co和Mn在黑河入渭处达到峰值,Cu和Zn在清姜河入渭处达到峰值, Sb、As和Ni分别于沙王渡、咸阳铁桥和林家村处达到峰值。相关性分析、主成分分析和聚类分析表明,Cd、Co、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn、Mn主要来源于以工业源和生活源为主的污染源;Sb、As主要来源于农业和地球化学污染源。     

灌木斑块格局对产流及产沙过程的影响

研究景观斑块盖度和连通方式影响下坡面径流、输沙及其水动力学参量的变化规律,对于揭示坡面土壤侵蚀过程的水动力机制和水文连通性具有重要意义。本研究采用野外人工模拟降雨试验,分析灌木样地不同覆盖度水平(0%、20%、40%、60%、90%)和不同连通方式(竖路径、横路径、S路径、随机斑块路径)下坡面径流、输沙及其水动力学参量的变化。结果表明: 随灌木覆盖度增加,产流量和产沙量均呈指数递减趋势;覆盖度增加到60%以上时,灌木减水减沙能力趋于稳定。随灌木覆盖度增加,流速、径流深、雷诺数、弗劳德数、径流功率和径流剪切力显著降低,曼宁糙率系数和Darcy-Weisbach阻力系数显著增大;但当灌木覆盖度增加到60%以上时,水力学参数特征值变化无显著差异。4种连通方式的产流率大小依次为竖路径>S路径>横路径>随机斑块;产沙率表现为竖路径最大,S路径次之,横路径与随机斑块无显著差异。连通性差的路径(横路径、随机斑块路径)与连通性好的路径(竖路径、S路径)相比,表现出较强的水力传输阻力和较差的水力挟沙能力。研究灌木斑块不同覆盖度和不同组合方式对坡面产流产沙量和水动力参量的作用,阐明植被减水减沙的临界盖度和合理配置方式,可为黄土高原水土流失治理和黄河流域高质量发展提供重要的理论依据。